Стеновые панели на деревянном каркасе в многоэтажных жилых зданиях из железобетона

Одним из приоритетных направлений развития науки, технологий и техники Российской Федерации является проблема энергосбережения. Особое место в решении данной проблемы отводится наружным стенам гражданских зданий. Традиционные строительные материалы — железобетон, газобетон, кирпич и др., применяющиеся для возведения внешних стен жилых зданий, не могут в полной мере эффективно обеспечить снижение потребления энергии. В зарубежной практике одним из решений данного вопроса явилось освоение строительства новых домов и реконструкция старых жилых зданий с применением комбинированной технологии — железобетонный каркас и ограждающая конструкция с применением стеновых панелей на деревянном каркасе с минераловатным утеплителем. Комбинированная технология строительства жилых многоэтажных зданий нашла широкое распространение в США, Канаде, в скандинавских странах Финляндии и Швеции, а также в Германии, Австрии и Швейцарии.

В России подобные жилые дома не строятся главным образом, из-за отсутствия научно-обоснованных конструктивных решений с обеспечением эксплуатационной надежности, пожарной безопасности и долговечности ограждающих конструкций. Поэтому можно заключить, что разработка и применение эффективных стеновых панелей для ограждающих конструкций зданий с железобетонным каркасом актуальны и своевременны для-России.

Для массового применения в индустриальном домостроении представляет интерес вопрос разработки унифицированных конструкций стеновых панелей заводского изготовления, которые могут применяться в ограждающих конструкциях жилых и общественных зданий, обеспечивая качество, быстроту и экономичность их строительства. Кроме этого, такие конструкции из-за их малого веса (30−40 кг/м2) могут с успехом применяться при реконструкции зданий городской застройки, например, при надстройке этажей, что, несомненно, актуально для большинства городов России.

Нельзя не отметить тот факт, что древесина является единственным сырьем, регенерируемым на поверхности Земли. На изготовление деревянных конструкций требуется значительно меньше энергозатрат, чем на изготовление аналогичных стальных и железобетонных конструкций. Вступление России в ВТО только обострит проблему энергосбережения.

Диссертационная работа проведена в рамках научно-технической программы Министерства образования и науки РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники». Раздел 21.03 «Создание эффективных строительных конструкций, совершенствование методов их расчета и конструирования» (№Г.Р.01.200.3 13 588) и соответствует специальности 05.23.01 «Строительные конструкции, здания и сооружения». В соответствии с формулой специальности, в диссертации разработаны новые ограждающие конструкции для зданий из железобетона, проведены научно-технические исследования, расчёты и разработки в области рационального проектирования панельных конструкций, основанные на современном опыте и экспериментально-теоретических методах.

Объектом исследования являются стеновые панели на деревянном каркасе с минераловатным утеплителем и узлы их крепления к железобетонным конструкциям здания.

Цель диссертационной работы: Экспериментальное и теоретическое обоснование эффективности применения ненесущих панелей на деревянном каркасе в составе многослойных ограждающих конструкций многоэтажных зданий из железобетона.

Научная новизна:

— разработаны конструктивные решения по повышению огнестойкости ограждающих конструкций со стеновыми панелями на деревянном каркасе, позволяющие обеспечить пожарные требования для зданий высотой до 75 м;

— разработана методика определения рационального шага крепления обшивок к каркасу стеновой панели металлическими скобами, учитывающая податливость связей обшивки с деревянным каркасом;

— определены коэффициенты к моментам инерции и сопротивления для расчёта панелей на жёсткость и прочность с учётом податливости связей обшивки из цементностружечной плиты с деревянным каркасом;

— разработана методика расчета прочности и жесткости стеновой панели на деревянном каркасе как составного элемента на податливых связях при воздействии ветровых нагрузок;

— разработана методика расчёта усталостной прочности стальных уголков, применяемых для крепления стеновой панели к железобетонным конструкциям здания, от циклических ветровых нагрузокдоказана возможность повышения теплофизических характеристик ограждающих конструкций зданий из железобетона за счёт применения стеновых панелей на деревянном каркасе.

Научная гипотеза: применение стеновых панелей на деревянном каркасе способствует повышению теплотехнических характеристик ограждающих конструкций здания с железобетонным каркасом при обеспечении эксплуатационных и пожарных требований.

Практическая значимость заключается в том, что результаты исследований расширяют область применения панелей на деревянном каркасе в строительстве многоквартирных жилых домов, дают обоснованные методики расчёта и испытаний панелей и узлов их крепления к железобетонным элементам-зданий-. —;

Достоверность результатов обеспечена корректным использованием научных положений в области строительной механики и теплотехники, использованием стандартизированных методик прочностных и теплотехнических расчётов в строительствеприменением современных средств научного исследования с использованием сертифицированных приборов, заключениями научно исследовательских институтов и организаций, аккредитованных в системе ГОСТ Р.

Личный вклад автора заключается в постановке задач настоящего исследования, в разработке конструктивных решений и проведении экспериментов с его участием, обработке и анализе полученных результатов, формулировке и разработке всех основных положений, определяющих научную новизну работы и ее практическую значимость.

Автор выражает особую благодарность за оказание помощи и консультации при работе над диссертацией научному руководителю д.т.н., профессору А. Г. Черных и сотрудникам его кафедры «Конструкции из дерева и пластмасс» (СПбГАСУ), а также д.т.н. профессору В. Г. Гагарину и его сотруднику к.т.н. В. В. Козлову (НИИСФ).

Апробация работы Основные результаты докладывались:

— на научнопрактической конференции «Теория. Практика. Эксперимент» в честь Юбилея кафедры конструкции из дерева и пластмасс СПбГАСУ, 2010 г.;

— на международной конференции Лонглайф 2010 г. «Энергосберегающие, жизнеустойчивые жилые здания, возведенные с учетом европейских стандартов и инновационных технологий в странах региона Балтийского моря»;

— на IV Съезде — Конгрессе ассоциации деревянного домостроения 25−26 ноября 2010 г.;

— на международном семинаре девятой Домашней Выставки «ФАЭТОН' 11» 10 февраля^011г.- — —.

— на V Международном съезде ассоциации деревянного домостроения 15−16 декабря 2011 г.;

— на международной научно-практической конференции студентов, аспирантов, молодых учёных и докторантов «Актуальные проблемы строительства и архитектуры, СПбГАСУ, 2012 г.;

— на международном конгрессе посвященного 180-летию СПбГАСУ «Наука и инновации в современном строительстве-2012», СПбГАСУ, 2012 г.

Публикации по теме диссертации: Монография:

1. Черных А. Г., Черных A.C., Песков A.B., Каратаев С. Г. Наружные ограждающие конструкции жилых и общественных зданий из железобетона с применением панелей на деревянном каркасе /под общей ред. д.т.н., проф. А.Г. ЧерныхСПбГАСУ.-СПб, 2012.-151с.

Статьи в опубликованные журналах, рекомендованных ВАК РФ:

2. Черных, A.C. Рациональный выбор листового материала для изготовления стеновых панелей на деревянном каркасе для зданий из железобетона / A.C. Черных // Вестник гражданских инженеров. -2012. -№ 2. -С. 86−90.

3. Прочность и жесткость стеновых панелей на деревянном каркасе / Черных А. Г., Черных A.C., Коваль П. С. [и др.] // Современные проблемы науки и образования. -2012. -№ 3. URL: www. science-education.ru/103−6527.

4. Черных, A.C. Стеновые панели на деревянном каркасе в составе ограждающих конструкций многоэтажных жилых зданий из железобетона /. Черных, А.Г., Черных A.C. //Жилищное строительство. -2012. -№ 7. -С. 19−23.

Патенты:

5. Стеновая теплоизолирующая панель с вентилируемым фасадом заводской готовности «Рослав» и опорный кронштейн для её установки: патент на полезную модель. 102 646 Российская Федерация: МПК E04 °F 13/07 (2006/01)/ C.B. Архангельский, С. Г. Каратаев, Д. А. Тепляков, A.C. Черных. — № 2 010 140 218/03- заявл. 01.10.2010; опубл. 10.03.2011. Бюл. № 7: 1 ил.

6. Комбинированная строительная конструкция с деревянным каркасом: патент на полезную модель. 116 525 Российская Федерация: МПК В04 В 1/00, 2/70, 1/94 (2006.01)/А.С.Черных, A.B. Песков, С. Г. Каратаевзаявитель и патентообладатель ООО «ДСК «Славянский).- № 2 011 152 308/03- заявл.

19.12.2011; опубл. 27.05.2012. Бюл. № 15: 1 ил. j.

7. Стеновая теплоизолирующая панель с вентилируемым фасадом заводской готовности «Рослав» и опорный кронштейн для её установки: патент на изобретение. 2 448 223 Российская Федерация: МПК E04 °F 13/07 (2006/01)/ C.B.

Архангельский, С. Г. Каратаев, Д. А. Тепляков, A.C. Черных, В. В. Барышев, A.B. Песков. -№ 2 010 140 213/03- заявл. 01.10.2010; опубл. 20.04.2012.Бюл. № 11:5ил. Статьи опубликованные в других изданиях:

8. Черных A.C. Комбинированная технология строительства многоквартир-ных жилых домов / A.C. Черных // Современные деревянные конструкции. Теория. Практика. Эксперимент: сб. материалов научно-практической конференции /СПбГАСУ. -СПб., -2010. -С.4−7.

9. Черных A.C. Ограждающие конструкции жилых зданий с применением стеновых панелей на деревянном каркасе / A.C. Черных // Федеральный строительный рынок. -2012. -№ 1. — С. 38−39.

10. Черных A.C. Применение стеновых панелей на деревянном каркасе для жилых и общественных зданий / A.C. Черных // Светопрозрачные конструкции. -2012. -№ 1. -С.4−8.

11 .Черных A.C. Современное состояние и тенденции развития комбинированной технологии строительства жилых зданий / A.C. Черных // Актуальные проблемы современного строительства и архитектуры: международная научно-практическая конференция студентов аспирантов, молодых учёных и докторантов/ СПбГАСУ.- В 2ч. Ч.1. СПб., 2012. — С.112−114. Реализация на практике. Разработанные конструкции стеновых панелей и узлы их крепления внедрены при строительстве жилых многоэтажных зданий на объекте «Славянка» в Санкт-Петербурге, г. Пушкин.

Диссертационная работа содержит 5 глав, Заключение и Приложение. Первая глава посвящена состоянию вопроса по теме диссертационной работы. Приводится зарубежная практика применения стеновых панелей на деревянном каркасе в составе ограждающих конструкций жилых зданий с железобетонным каркасом. Рассматриваются зарубежные конструкции стеновых панелей и конструктивные решения узлов их крепления к железобетонным элементам зданияприводится анализ исследований, направленных на изучение стеновых панелей на деревянном каркасе. Отмечается тенденция развития отечественных исследований стеновых наружных панелей на деревянном каркасе и нормативных документов по их проектированию для строительства жилых зданий. Приводятся современные требования к наружным ограждающим конструкциям по пожарной опасности, по тепловой защите, по защите от шума, по долговечности и безопасности. Приводятся результаты патентного поиска по I конструкциям стеновых панелей на деревянном каркасе.

По результатам изучения состояния вопроса ставятся задачи конструктивных разработок, расчётов и исследований.

Вторая глава посвящена разработке унифицированной конструкции стеновой панели на деревянном каркасе и обосновывается её применение в составе многослойных ограждающих конструкции зданий с железобетонным каркасом. Приводится рациональный выбор листовых материалов для обшивок панелей и результаты исследования их влияния на жёсткость панели. Приводится выбор и обоснование многослойных ограждающих конструкций с применением стеновых панелей на деревянном каркасе. При этом рассматриваются ограждающие конструкции, включающие наружное утепление стеновых панелей и вентилируемые фасады с облицовкой кирпичной кладкой на относе и с навесной фасадной системой, закреплённой к торцам железобетонных перекрытий с облицовкой керамогранитными плитами. Приводятся конструктивные решения для обеспечения пожарных требований к многослойной ограждающей конструкции.

Третья глава посвящена исследованиям прочности и жесткости стеновых панелей на деревянном каркасе при воздействии положительного и отрицательного ветрового давления. Приводится расчёт ветровых нагрузок, действующих на стеновую панель. Определяется рациональный шаг установки скоб при креплении обшивок к каркасу стеновой панели. Исследуется работа панели с учетом податливости связей обшивки. Рассчитываются коэффициенты для расчёта стеновых панелей с учётом податливости соединения деревянного каркаса и обшивок скобами. Исследуется возможность применения метода конечных элементов для расчёта несущей способности стеновых панелей по I и.

II группам предельных состояний с учётом совместной работы каркаса и обшивки на податливых связях.

Четвёртая глава посвящена расчётам и исследованиям узлов крепления стеновой панели к железобетонным конструкциям здания. Приводится методика расчёта узлов крепления панели стальными уголками на ветровые нагрузки и примеры расчёта. Приводится методика испытаний узлов крепления стеновой панели стальными уголками на ветровые нагрузки и результаты испытаний. Приводится расчёт усталостной прочности стальных уголков от местных напряжений при воздействии ветровых нагрузок.

Пятая глава посвящена исследованию теплофизических характеристик многослойных ограждающих конструкций со стеновыми панелями на деревянном каркасе. Исследованиям подлежали стеновые панели, применяемые в составе многослойных ограждающих конструкций здания с вентилируемым фасадом и облицовкой кирпичной кладкой на относе или керамогранитными плитами. Приводятся расчёты по определению температуры и скорости движения воздуха в воздушной прослойке, влажностного режима ограждающих конструкций в многолетнем цикле эксплуатации. Приводятся расчёты по проверке насыщения воздуха в воздушной прослойке водяным паром и расчеты теплотехнических характеристик ограждающих конструкций. Расчёты проводились по стандартным методикам и методикам, разработанным в НИИСФ с графическим отображением результатов.

В Заключении приводятся основные результаты проведённых работ и их внедрения при строительстве жилого комплекса «Славянка».

В Приложении приводятся копии документов, выданных сторонними организациями: справка о внедрении результатов диссертационной работыпожарные заключения ФГУ ВНИИПО МЧС Россиипротоколы испытаний образцов ограждающей конструкции со стеновой панелью на приведённое сопротивление теплопередаче и звукоизоляциюпротоколы испытаний стеновой панели и узлов её крепления на ударные и ветровые нагрузки.

2. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

Выводы:

1. Квазистационарный влажностный режим ограждающих конструкций устанавливается через 1 год после начала эксплуатации здания. Максимальная влажность утеплителя достигается в декабре на наружной границе стены и составляет 2,9% влажности по массе (относительная влажность воздуха 95%). Средние влажности всех слоев конструкции в месяц наибольшего увлажнения заметно меньше величины, приведенной в СНиП Н-3−79*. Требования СНиП 23−02−2003 к влажностному режиму ограждающих конструкций выполняются.

Удельный поток пара из конструкции в воздушный зазор в январе составляет 115 мг/(м ч).

2. Средняя скорость движения воздуха в вентилируемом зазоре в ограждающей конструкции высотой 15 м с облицовкой кирпичной кладкой составляет 0,1 м/с, а в ограждающей конструкции высотой 30 м с облицовками керамогранитными плитами — 0,31 м/с.

3. Предельная высота выпадения конденсата для ограждающей конструкции с облицовкой кирпичной кладкой составляет 37 м, а для ограждающей конструкции с облицовкой керамогранитными плитами — 116 м. Таким образом, исследуемые конструкции обеспечивают благоприятный влажностный режим и влагоудаление из воздушной прослойки.

3. Расчет воздухообмена воздушной прослойки проведен для наименьшей толщины прослойки 40 мм. В случае ' увеличения толщины прослойки влажностный режим прослойки будет улучшаться. При расчете воздухообмена в прослойке предполагается, что основной движущей силой воздухообмена является подогрев воздуха. Для вентилируемого фасада с перфорированным экраном (облицовкой из керамогранита) основной движущей силой воздухообмена становится ветровое воздействие на фасад. Это воздействие не поддается учету, так как имеет случайную природ}', но по своему эффекту оно значительно превосходит обычный воздухообмен и служит улучшению влажностного режима прослойки.

4. Приведенные сопротивления теплопередаче исследуемых ограждающих конструкций с учетом теплотехнических неоднородностей удовлетворяют действующим нормам по энергосбережению.

5. В исследуемых конструкциях нет ни одного слоя сопоставимого по сопротивлению паропроницанию с пароизоляционным слоем, поэтому от характеристик листовых материалов, формирующих стеновую панель на деревянном каркасе, поток водяного пара и распределение влажности по конструкции практически не зависят.

6. Не рекомендуется исключать в исследуемой конструкции слой пароизоляции, так как при этом значительно возрастает удельный поток пара через конструкцию. Удельный поток достигает 1070 мг/(мч). Столь большой удельный поток водяного пара в прослойку может привести к ее переувлажнению и выпадению конденсата.

7. В целом рассматриваемые ограждающие конструкции с применением стеновых панелей на деревянном каркасе отвечают требованиям нормативных документов по тепловой защите здания и могут быть применены в зданиях с несущими элементами из железобетонных конструкций для климатических условий г. Санкт-Петербурга.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Анализ современного зарубежного и отечественного опыта применения комбинированной технологии строительства показал актуальность проведения исследований, направленных на повышение эффективности жилищного строительства в нашей стране. В диссертационной работе проведён комплекс научно-исследовательских работ, результаты которых показали, что применение стеновых панелей на деревянном каркасе способствует наиболее эффективному повышению теплофизических характеристик ограждающих конструкций здания с железобетонным каркасом. При этом обеспечиваются нормативные эксплуатационные и противопожарные требования.

Полученные результаты отражены в следующих основных выводах по работе:

1. Разработана и научно обоснована унифицированная конструкция ненесущей стеновой панели заводского изготовления на деревянном каркасе для многоэтажных жилых зданий высотой до 75 м. Конструкция отличается от известных панелей, применяемых в строительстве, повышенной огнестойкостью (получен патент на полезную модель), атмосферостойкостью, обеспечивая защиту, как от огня, так и от переувлажнения древесины и минерального утеплителя.

2. Подтверждена эффективность применения стеновых панелей на деревянном каркасе в составе многослойных ограждающих конструкций с наружным утеплением, вентилируемым фасадом и облицовкой кирпичной кладкой на относе или облицовкой из керамогранитных плит, установленных на металлической подсистеме с креплением за железобетонные перекрытия здания. При этом обеспечиваются нормативные требования к стенам многоквартирных жилых зданий по противопожарным и теплофизическим характеристикам, по защите от шума (не менее 55дб) и по долговечности — не менее 50 лет.

3. Установлено, что рациональным материалом для обшивок стеновых панелей с точки зрения эксплуатационных свойств, технологичности и экономичности изготовления являются цементно-стружечные плиты, которые при сравнении с другими листовыми материалами методом расстановки приоритетов получили наибольшую комплексную оценку (приаритет).

4. Обоснован рациональный шаг крепления листовых материалов к деревянному каркасу с помощью металлических скоб. Для ненесущих панелей максимальное расстояние между скобами составляет 200 мм, при этом податливость связей крепления обшивки с деревянным каркасом панели рекомендуется учитывать с помощью коэффициентов: кж=0,22, к моменту инерции и kw=0,25, к моменту сопротивления приведенного сечения панели при расчётах по предельным состояниям в нормативных условиях эксплуатации.

5. Разработана методика расчёта прочности и жёсткости стеновой панели на деревянном каркасе как составного элемента на податливых связях при воздействии ветровых нагрузок.

6. Разработана методика расчёта и испытания узлов крепления стеновой панели к железобетонным конструкциям здания. Крепление ненесущих панелей к железобетонным перекрытиям может производиться с помощью стальных усиленных уголков. Для обеспечения несущей способности стальных уголков необходимо определять их количество с учётом расчётных сопротивлений уголков от действия ветровых нагрузок. На несущую способность уголка влияет величина зазоров между панелью и перекрытиями, которая также должна учитываться при расчётах.

7. Знакопеременные и пульсационные ветровые нагрузки вызывают значительные напряжения и усталость в стальных уголках, особенно в узлах крепления панели к верхнему железобетонному перекрытию. Предложен алгоритм определения усталостной прочности уголков в узлах крепления панели с помощью конечно-элементного моделирования.

Внедрение результатов исследований:

Результаты исследований по разработке и обоснованию конструкции стеновой панели на деревянном каркасе для многоэтажных зданий из железобетона внедрены в производстве ООО «ДСК «Славянский». За период.

2009.2012 годы предприятие изготовило около 43 тыс. панелей с оконными и/или дверными проёмами. Стеновые панели на деревянном каркасе и узлы их крепления применяются в составе многослойных наружных ограждающих конструкций многоэтажных жилых зданий из железобетона с вентилируемым фасадом и облицовкой керамогранитными плитами при строительстве жилого комплекса «Славянка» (СПб, г. Пушкин). За период 2009.2012 годов построено и сдано в эксплуатацию более 500 тыс. кв. м жилой площади ПРОИЗВОДСТВО СТЕНОВЫХ ПАНЕЛЕЙ НА ООО «ДСК «СЛАВЯНСКИЙ».

СТРОИТЕЛЬСТВО МНОГОКВАРТИРНЫХ ЗДАНИЙ НА ЖИЛОМ.

ОБЪЕКТЕ «СЛАВЯНКА».

Технико-экономические показатели внедрения стеновых панелей:

• увеличение продаваемой жилой площади без увеличения габаритов здания до 3,5%, за счёт уменьшения толщины ограждающей конструкции примерно в 1,5 раза;

• снижение расхода материалов (арматуры и железобетона) (на 8. 10%) и трудозатрат (на 10. 15%) на изготовление перекрытий за счёт уменьшения нагрузок на края перекрытий, отсутствия необходимости устройства перфорации и уменьшение площади перекрытия на 400.450 мм/пог.м в местах установки панели;

• снижение стоимости фундамента здания до 3% за счёт уменьшения на него нагрузок от действия массы ограждающей конструкции;

• снижение транспортных расходов до 12% на доставку материалов для обустройства ограждающей конструкции здания;

• снижение времени и трудозатрат до 15% на закрытие теплового контура здания;

В итоге по сравнению с применением традиционных ограждающих конструкций сокращаются сроки (на 15.20%) и стоимость строительства жилых домов (на 8. 10%).

Эксплуатационные характеристики ограждающей конструкции с применением стеновых панелей на деревянном каркасе.

Наименование показателя Значение показателя.

Приведённое сопротивление теплопередаче, не менее 3,08.

Изоляция от воздушного шума, Я', дБ, не менее 54.

Класс конструктивной опасности здания СО.

Предел огнестойкости стены ЕЗО.

Класс пожарной опасности (с внешней стороны) КО.

Класс пожарной опасности (с внутренней стороны) КО (ЗО).

Максимальная высота здания, м 75.

Долговечность, лет, не менее 50.